จักรวาลวิทยาเชิงสัมพัทธภาพ
จักรวาลวิทยาเชิงสัมพัทธภาพประยุกต์ใช้สมการสนามของไอน์สไตน์กับเอกภพโดยรวม โดยสร้างแบบจำลองเรขาคณิตและการขยายตัวในขนาดใหญ่ผ่านผลเฉลยของฟรีดมันน์-เลอแมตร์-โรเบิร์ตสัน-วอล์คเกอร์
Definition
จักรวาลวิทยาเชิงสัมพัทธภาพเป็นสาขาหนึ่งของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่พิจารณาเอกภพเป็นปริภูมิ-เวลาพลวัต โดยใช้ผลเฉลยของฟรีดมันน์-เลอแมตร์-โรเบิร์ตสัน-วอล์คเกอร์ที่เป็นเนื้อเดียวกันและสมมาตรของสมการไอน์สไตน์เพื่ออธิบายการขยายตัวของจักรวาล เรขาคณิต และโครงสร้างเชิงสาเหตุ
Scope
ขอบเขตนี้ครอบคลุมคำอธิบายของจักรวาลในเชิงสัมพัทธภาพทั่วไป: ข้อสมมติฐานของความเป็นเนื้อเดียวกันและสมมาตรในขนาดใหญ่, เมตริกของโรเบิร์ตสัน-วอล์คเกอร์ และสมการของฟรีดมันน์ที่ควบคุมตัวประกอบมาตราส่วน, การเคลื่อนที่ไปทางแดงของจักรวาลและการวัดระยะทาง, โครงสร้างเชิงสาเหตุพร้อมขอบฟ้าอนุภาคและขอบฟ้าเหตุการณ์, และการวิเคราะห์เชิงสัมพัทธภาพว่าการรบกวนเล็กน้อยเติบโตเป็นโครงสร้างจักรวาลได้อย่างไร เป็นส่วนเสริมทางทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของสาขาวิชาย่อยทางดาราศาสตร์เชิงสังเกตการณ์ของจักรวาลวิทยา
Sub-topics
Core questions
- สมการไอน์สไตน์อธิบายเอกภพที่ขยายตัวและเป็นเนื้อเดียวกันได้อย่างไร?
- อะไรเป็นตัวกำหนดเรขาคณิตและประวัติการขยายตัวของจักรวาล?
- การเคลื่อนที่ไปทางแดงและระยะทางสัมพันธ์กับการขยายตัวของปริภูมิอย่างไร?
- ขีดจำกัดเชิงสาเหตุ ซึ่งก็คือขอบฟ้า ถูกกำหนดโดยการขยายตัวเชิงสัมพัทธภาพอย่างไร?
Key concepts
- หลักการจักรวาลวิทยา
- เมตริกของโรเบิร์ตสัน-วอล์คเกอร์
- ตัวประกอบมาตราส่วนและพารามิเตอร์ฮับเบิล
- สมการของฟรีดมันน์
- การเคลื่อนที่ไปทางแดงของจักรวาล
- ขอบฟ้าอนุภาคและขอบฟ้าเหตุการณ์
Key theories
- หลักการจักรวาลวิทยาและเมตริก FLRW
- การสมมติว่าเอกภพเป็นเนื้อเดียวกันและสมมาตรในขนาดใหญ่ทำให้ได้เมตริกของโรเบิร์ตสัน-วอล์คเกอร์ ซึ่งข้อมูลเชิงพื้นที่ทั้งหมดลดลงเหลือเพียงตัวประกอบมาตราส่วนที่ขึ้นกับเวลาเพียงตัวเดียวและความโค้งเชิงพื้นที่คงที่
- พลวัตของฟรีดมันน์
- การแทนที่เมตริกของโรเบิร์ตสัน-วอล์คเกอร์ลงในสมการไอน์สไตน์ทำให้ได้สมการของฟรีดมันน์ ซึ่งเชื่อมโยงอัตราการขยายตัวกับความหนาแน่นพลังงานและความโค้ง ซึ่งเป็นตัวกำหนดว่าเอกภพจะขยายตัวตลอดไป ยุบตัวกลับ หรือเร่งความเร็ว
Clinical relevance
จักรวาลวิทยาเชิงสัมพัทธภาพเป็นรากฐานทางทฤษฎีของแบบจำลองจักรวาลวิทยามาตรฐาน: เป็นกรอบสำหรับการวัดอัตราการขยายตัว, พื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล, และโครงสร้างขนาดใหญ่ และเป็นบริบทที่สสารมืด, พลังงานมืด, และฟิสิกส์ของเอกภพยุคแรกเริ่มของการพองตัวถูกกำหนดขึ้น
History
แบบจำลองสถิตของไอน์สไตน์ในปี 1917 ได้ถูกแทนที่ด้วยผลเฉลยพลวัตของฟรีดมันน์ (1922) และเลอแมตร์ (1927) ซึ่งทำนายการขยายตัวของเอกภพที่ต่อมาได้รับการยืนยันโดยความสัมพันธ์การเคลื่อนที่ไปทางแดง-ระยะทางของฮับเบิล; โรเบิร์ตสันและวอล์คเกอร์ได้สร้างเมตริกอย่างเคร่งครัดในช่วงทศวรรษ 1930 และกรอบการทำงานนี้เป็นรากฐานของจักรวาลวิทยาสมัยใหม่ทั้งหมด
Debates
- ความถูกต้องของความเป็นเนื้อเดียวกันในขนาดใหญ่และการหาค่าเฉลี่ย
- มีการถกเถียงกันว่าการหาค่าเฉลี่ยของเอกภพจริงที่ไม่สม่ำเสมอให้เป็นแบบจำลองฟรีดมันน์ที่ราบเรียบนั้นก่อให้เกิดผลกระทบ 'ปฏิกิริยาย้อนกลับ' ที่เป็นระบบซึ่งเลียนแบบพลังงานมืดหรือไม่; การวิเคราะห์ส่วนใหญ่พบว่าผลกระทบดังกล่าวมีขนาดเล็ก แต่บทบาทที่แม่นยำของความไม่สม่ำเสมอในพลวัตของจักรวาลยังคงเป็นคำถามวิจัย
Key figures
- Aleksandr Friedmann
- Georges Lemaitre
- Howard Robertson
- Arthur Walker
Related topics
Seminal works
- friedmann1922
- weinberg2008
Frequently asked questions
- เอกภพกำลังขยายตัวเข้าไปในบางสิ่งหรือไม่?
- ไม่ ในจักรวาลวิทยาเชิงสัมพัทธภาพ การขยายตัวคือการเติบโตของตัวประกอบมาตราส่วนที่เพิ่มระยะห่างระหว่างกาแล็กซีภายในปริภูมิ-เวลาเอง; ไม่มีปริภูมิภายนอกที่เอกภพขยายตัวเข้าไป และเรขาคณิตอาจเป็นอนันต์หรือจำกัดโดยไม่มีขอบเขต
- จักรวาลวิทยาเชิงสัมพัทธภาพแตกต่างจากจักรวาลวิทยาเชิงสังเกตการณ์อย่างไร?
- จักรวาลวิทยาเชิงสัมพัทธภาพคือทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของปริภูมิ-เวลาของจักรวาล ซึ่งให้สมการและเรขาคณิต ในขณะที่สาขาวิชาย่อยทางดาราศาสตร์เชิงสังเกตการณ์มุ่งเน้นไปที่การวัดเอกภพ; สาขานี้ให้กรอบแรงโน้มถ่วงที่ใช้ในการตีความการสังเกตการณ์เหล่านั้น